關(guān)于彈扣式門(mén)鎖洗碗機(jī)的開(kāi)門(mén)力分析與研究

黎銘峰 梁進(jìn)軍 馬兵兵 王松波

（華帝股份有限公司 中山 528415）

引言

家用洗碗機(jī)通常采用下拉門(mén)的開(kāi)門(mén)形式，門(mén)鉸鏈機(jī)構(gòu)設(shè)在門(mén)體底端的兩側(cè)，開(kāi)門(mén)過(guò)程中門(mén)體繞鉸鏈軸進(jìn)行翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，期間會(huì)受到拉簧力和自身重力的作用[1]。當(dāng)門(mén)體處于合上狀態(tài)時(shí)，拉簧力很小，起不到拉住門(mén)體的鎖止作用，因此需要在門(mén)體頂部設(shè)有門(mén)鎖。彈扣式門(mén)鎖具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)成熟、可靠性強(qiáng)、裝配方便等特點(diǎn)，因此成為了下拉門(mén)式洗碗機(jī)常用的門(mén)鎖形式，有的在中間設(shè)一個(gè)門(mén)鎖，有的在左右對(duì)稱地設(shè)兩個(gè)門(mén)鎖，如圖1所示。

彈扣式門(mén)鎖模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由彈扣式鎖舌、限制鎖舌滑移方向的支座和夾在鎖舌和支座之間的彈簧組成；與鎖舌相對(duì)應(yīng)的是門(mén)體的內(nèi)門(mén)頂部設(shè)有的凹槽結(jié)構(gòu)，門(mén)體合上后彈扣式鎖舌將在彈簧的作用下卡入凹槽之中，從而形成對(duì)門(mén)體的鎖止作用。開(kāi)門(mén)時(shí)，人施加于門(mén)上的拉力最終會(huì)轉(zhuǎn)為推動(dòng)凹槽中的彈扣式鎖舌向上滑移，此時(shí)開(kāi)門(mén)所需的拉力逐漸增大，當(dāng)鎖舌剛要越過(guò)內(nèi)門(mén)凹槽后方的凸棱時(shí)，拉力達(dá)到最大，將此力稱為“開(kāi)門(mén)力”。因此，開(kāi)門(mén)力與彈扣式門(mén)鎖是密切相關(guān)的，尤其是與解鎖力是緊密聯(lián)系的，在其他消費(fèi)品上例如汽車(chē)的門(mén)鎖，已經(jīng)有過(guò)類(lèi)似研究，得出一些結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)論[2]。對(duì)于洗碗機(jī)門(mén)鎖的分析，目前是做得不夠的，但是開(kāi)門(mén)力是人機(jī)交互的重要部分之一，開(kāi)門(mén)力太大會(huì)影響開(kāi)門(mén)體驗(yàn)，開(kāi)門(mén)力太小更是可能造成門(mén)體關(guān)不緊甚至自動(dòng)彈開(kāi)的情況，使得機(jī)器無(wú)法正常運(yùn)行，還可能引發(fā)嚴(yán)重漏水漏蒸汽的問(wèn)題。

1 彈扣式門(mén)鎖的受力分析

本文研究的洗碗機(jī)中，具有2個(gè)相同的彈扣式鎖舌模塊，每個(gè)鎖舌都具有前后兩個(gè)斜面，分別決定著關(guān)門(mén)力和開(kāi)門(mén)力的大小。本文針對(duì)開(kāi)門(mén)力進(jìn)行研究，后面對(duì)于鎖舌斜面的分析和結(jié)論也適用于關(guān)門(mén)力的情況。

彈扣式門(mén)鎖及內(nèi)門(mén)凹槽可簡(jiǎn)化成圖3所示的模型，鎖舌視為忽略重量的輕質(zhì)剛性體，受支座限制只做上下平移運(yùn)動(dòng)，期間不會(huì)有自身的轉(zhuǎn)動(dòng)。并且，將開(kāi)門(mén)過(guò)程視為一個(gè)緩慢進(jìn)行的過(guò)程，即每個(gè)時(shí)刻鎖舌都處于受力平衡的狀態(tài)，此時(shí)算出來(lái)的開(kāi)門(mén)力其實(shí)是理論的最小開(kāi)門(mén)力。圖中，鎖舌受到多個(gè)外力的作用，具體有：彈簧施加于鎖舌的壓力，定為F0，方向豎直向下；門(mén)體施加于鎖舌的推力，定為F1，方向垂直于鎖舌斜面；支座內(nèi)壁對(duì)鎖舌的支持力，定為F2，方向水平向后；各項(xiàng)摩擦力，主要包括鎖舌彈簧軸與門(mén)鎖支座套孔之間的摩擦力f1、鎖舌主體與門(mén)鎖支座內(nèi)壁之間的摩擦力f2、鎖舌斜面與內(nèi)門(mén)之間的滑動(dòng)摩擦力f3。隨著開(kāi)門(mén)的動(dòng)作，鎖舌越過(guò)凸棱需上移一段距離，定為x，則有：F0=kx。進(jìn)一步由受力平衡關(guān)系，有以下公式：

式中：

F1—門(mén)體施加于鎖舌的推力；

F0—彈簧施加于鎖舌的壓力；

α—鎖舌斜面與水平面夾角；

k —彈簧的胡克系數(shù)；

x —彈簧壓縮的最大位移。

當(dāng)α設(shè)為48 °，x設(shè)為2.76 mm，k取5.0～8.3 N/mm時(shí)，可計(jì)算得F1為20.6～34.3 N。最后說(shuō)明一下，鎖舌運(yùn)動(dòng)的受力分析時(shí)有摩擦力的分析，但由于對(duì)摩擦力真實(shí)情況的考慮難以周全，并且也很難測(cè)得摩擦力量化的數(shù)據(jù)，因此本部分計(jì)算未考慮摩擦力，而摩擦力作用將以放大系數(shù)af引入到后續(xù)計(jì)算中。

2 開(kāi)門(mén)力模型與理論計(jì)算

在實(shí)際使用中，人會(huì)通過(guò)把手拉動(dòng)門(mén)體實(shí)現(xiàn)開(kāi)門(mén)，此時(shí)拉力會(huì)轉(zhuǎn)為內(nèi)門(mén)頂起鎖舌的推力F1，因此，F(xiàn)1越大，所需的開(kāi)門(mén)力就越大。進(jìn)一步地，對(duì)于同一個(gè)門(mén)鎖模塊，即F1相同，不同的把手位置所需的開(kāi)門(mén)力會(huì)有所不同，進(jìn)而開(kāi)門(mén)體驗(yàn)也會(huì)有所差別。

如圖4所示，對(duì)于一款雙門(mén)鎖的洗碗機(jī)，門(mén)體上把手設(shè)計(jì)有三種方案，假設(shè)人手都是水平拉動(dòng)把手，因此拉力Fs對(duì)門(mén)體旋轉(zhuǎn)中心的力矩分別為：s1=500 mm，s2=460 mm，s3=430 mm。另外，在設(shè)計(jì)圖紙中測(cè)得F1對(duì)門(mén)體旋轉(zhuǎn)中心的力矩為s0=380 mm。根據(jù)F1與Fs對(duì)門(mén)體鉸鏈轉(zhuǎn)軸的力矩相等，即n·F1·s0=Fs·s，雙門(mén)鎖洗碗機(jī)n=2，則有以下公式：

式中：

Fs—作用在門(mén)把手的水平拉力的理想值；

F1—門(mén)體施加于鎖舌的推力；

s0—F1對(duì)門(mén)體旋轉(zhuǎn)中心的力矩；

s —Fs對(duì)門(mén)體旋轉(zhuǎn)中心的力矩。

代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得Fs1為31.3～52.1 N，F(xiàn)s2為34.0～56.7 N，F(xiàn)s3為37.3～62.0 N。由此可知，對(duì)于項(xiàng)目的彈扣式門(mén)鎖方案，門(mén)體把手位置越靠上，開(kāi)門(mén)力就越小。

3 實(shí)際開(kāi)門(mén)力與理論值的比較

前面計(jì)算未考慮摩擦力的影響，因此實(shí)際開(kāi)門(mén)力應(yīng)該比理論值要大，這里引入放大系數(shù)af=1.28。因此，實(shí)際開(kāi)門(mén)力有以下公式：

式中：

F —作用在門(mén)把手的水平拉力的實(shí)際值；

Fs—作用在門(mén)把手的水平拉力的理想值；

af—摩擦力作用的放大系數(shù)。

計(jì)算結(jié)果如表1所示，對(duì)于本款雙門(mén)鎖洗碗機(jī)，實(shí)際開(kāi)門(mén)力范圍為40～80 N。另一方面，對(duì)實(shí)體機(jī)器的開(kāi)門(mén)力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，樣品數(shù)為300臺(tái)，開(kāi)門(mén)力數(shù)值也是40～80 N，3款機(jī)型的開(kāi)門(mén)力平均值分別約為50 N、55 N和65 N，與計(jì)算值的趨勢(shì)十分相符。并且，已有小家電門(mén)鎖選型的研究表明[3]，開(kāi)門(mén)力設(shè)定為40 N；結(jié)合保證洗碗機(jī)洗滌腔良好密封的需要，開(kāi)門(mén)力可以往上設(shè)為一個(gè)范圍，即40～80 N。綜上分析可以，本文的彈扣式門(mén)鎖方案可很好地通用于雙門(mén)鎖洗碗機(jī)的不同外觀機(jī)型，開(kāi)門(mén)力控制在合適的范圍。

表1 不同機(jī)型開(kāi)門(mén)力的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較

4 開(kāi)門(mén)力的參數(shù)影響分析

由式（1）、式（2）、式（3）整合可得開(kāi)門(mén)力公式：

式中：

F —作用在門(mén)把手的水平拉力的實(shí)際值；

af—摩擦力作用的放大系數(shù)；

α—鎖舌斜面與水平面夾角；

s0——F1對(duì)門(mén)體旋轉(zhuǎn)中心的力矩；

s —開(kāi)門(mén)力對(duì)門(mén)體旋轉(zhuǎn)中心的力矩；

k —彈簧的胡克系數(shù)；

x —彈簧壓縮的最大位移。

從公式可知，開(kāi)門(mén)力主要受6大參數(shù)的影響。實(shí)際情況中，設(shè)計(jì)時(shí)門(mén)鎖鎖舌形狀已經(jīng)確定，鎖舌與“凹槽-凸棱”結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置也已經(jīng)確定，外觀設(shè)計(jì)定案后門(mén)把手的位置也是確定的；另一方面，加工和裝配的尺寸誤差會(huì)造成開(kāi)門(mén)力的小幅度波動(dòng)，但這部分影響較小，并且具有一定隨機(jī)性，本文不作討論。綜上，α、s0、s和x可認(rèn)為是不變的，下面將對(duì)其他的參數(shù)影響展開(kāi)分析，進(jìn)而提出一些開(kāi)門(mén)力的調(diào)整措施。

首先是鎖舌斜面角度α，開(kāi)門(mén)力隨著α增大而增大。圖2的設(shè)計(jì)圖紙中，鎖舌位置會(huì)靠后一點(diǎn)，所以真實(shí)狀態(tài)的鎖舌的底部會(huì)隨門(mén)體位置而前移，鎖舌整體呈“稍微后倒傾斜”，如圖5所示。此時(shí)，如果將門(mén)鎖模塊稍前移，鎖舌的傾斜會(huì)減小，則斜面角度α?xí)哟螅M(jìn)而使得開(kāi)門(mén)力增大；如果將門(mén)鎖模塊稍后移，鎖舌的傾斜會(huì)加大，則斜面角度α?xí)p小，進(jìn)而使得開(kāi)門(mén)力減小。進(jìn)一步地如圖6所示，以s=420 mm把手方案為例，隨著斜面角度α在36 °到48 °變化，開(kāi)門(mén)力產(chǎn)生8～13.5 N的調(diào)整量，這可用于生產(chǎn)線上的開(kāi)門(mén)力微調(diào)。

其次是摩擦力影響的放大系數(shù)af，如果在鎖舌彈簧軸與門(mén)鎖支座套孔之間增加潤(rùn)滑脂，鎖舌和支座之間的摩擦力就可以得到有效改善。實(shí)驗(yàn)證明，增加潤(rùn)滑脂后，開(kāi)門(mén)力會(huì)有7 N左右的下降。此外，鎖舌與支座的“銷(xiāo)-套”配合段越長(zhǎng)，同時(shí)配合間隙適當(dāng)減小優(yōu)化，這也可以減小摩擦力，但這個(gè)配合段在空間上受到很大限制，因此實(shí)際實(shí)施起來(lái)比較難。

再次是門(mén)鎖彈簧的胡克系數(shù)k，這是最直觀的影響因素，k值越大開(kāi)門(mén)力越大，并且k值范圍越大，開(kāi)門(mén)力的波動(dòng)幅度越大。因此，為了規(guī)范統(tǒng)一不同門(mén)把手位置的機(jī)型的開(kāi)門(mén)力，應(yīng)該新增1到2款門(mén)鎖彈簧，同時(shí)把k值范圍收窄，這樣不同彈簧可適配不同的機(jī)型，各機(jī)型的開(kāi)門(mén)力范圍可以收窄到55～70 N之間，開(kāi)門(mén)體驗(yàn)也會(huì)相互更加接近。

最后是其他因素，例如門(mén)體和機(jī)體之間設(shè)有發(fā)泡密封條，門(mén)體合上后內(nèi)門(mén)邊緣會(huì)壓住密封條，形成相對(duì)密封的洗滌腔，此時(shí)密封條對(duì)門(mén)體會(huì)產(chǎn)生反作用力，這個(gè)壓力可抵消小部分開(kāi)門(mén)力F；但如果密封條裝得靠外，或者密度偏大，這樣密封條給到門(mén)體的壓力就會(huì)增大，開(kāi)門(mén)力就會(huì)減小，甚至?xí)l(fā)生門(mén)體自動(dòng)彈開(kāi)的情況。又如，洗碗機(jī)需要固定好，此時(shí)拉動(dòng)門(mén)體的開(kāi)門(mén)力才是真實(shí)準(zhǔn)確的，也可以更好做到水平拉門(mén)，拉力對(duì)門(mén)體旋轉(zhuǎn)中心的力矩s不會(huì)由于方向偏離太大而有所減小，進(jìn)而使得開(kāi)門(mén)力增大；尤其是對(duì)于開(kāi)門(mén)力比較大的情況，如果機(jī)器沒(méi)固定好，開(kāi)門(mén)同時(shí)很容易會(huì)拖動(dòng)機(jī)器，這樣就會(huì)帶來(lái)不好的開(kāi)門(mén)體驗(yàn)。還有，把手的握法也會(huì)影響施力效果，雖然開(kāi)門(mén)力F是一樣的，但是比較手指頭施力和手掌施力兩種情況，人對(duì)力值大小的感覺(jué)會(huì)有明顯差異，所以把手設(shè)計(jì)要有更充分的考究。

5 結(jié)論

本文對(duì)洗碗機(jī)常用的彈扣式門(mén)鎖進(jìn)行了研究，先后建立了彈扣式門(mén)鎖模塊和雙門(mén)鎖下拉門(mén)開(kāi)門(mén)的力學(xué)模型，通過(guò)受力分析進(jìn)行了開(kāi)門(mén)力的理論計(jì)算，提出了將摩擦力作用以放大系數(shù)af的方式引入計(jì)算之中，得到更加符合實(shí)際情況的結(jié)果，明確了不同把手位置會(huì)產(chǎn)生明顯不同的開(kāi)門(mén)力體驗(yàn)的結(jié)論。并且，本文還采集了實(shí)體機(jī)器的開(kāi)門(mén)力數(shù)據(jù)，與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了計(jì)算方法的合理性，進(jìn)一步明確了40～80 N的開(kāi)門(mén)力范圍，可適配于不同把手位置的機(jī)型。之后，本文整理了開(kāi)門(mén)力公式，據(jù)此對(duì)6項(xiàng)參數(shù)的影響進(jìn)行了分析，尤其對(duì)鎖舌斜面角度α、放大系數(shù)af、彈簧胡克系數(shù)k的影響展開(kāi)了深入探討，進(jìn)而提出了一些開(kāi)門(mén)力的調(diào)整措施，這對(duì)于洗碗機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與優(yōu)化、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)微調(diào)、售后維修服務(wù)等方面都具有很好的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。